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Linux中Workqueue機制分析

作者: 時間:2016-10-08 來源:網(wǎng)絡 收藏

走入 Linux 的殿堂已經(jīng)有一年有余了,在這里我想將 Linux 的各種實現(xiàn)機制分析一遍,一方面對自己來說也是溫故而知新,另一方面,促進大家的交流,最好能夠給大家一些拋磚引玉的啟迪。我是硬件出身,搞硬件已經(jīng)好多年了,從是專門軟件開發(fā)也接近兩年了,在這一段時間內我越發(fā)認為軟硬件協(xié)同設計是未來發(fā)展的主流,軟硬件的界限越來越模糊,軟硬件的設計思想是相通的,實現(xiàn)方法是各異的,實現(xiàn)的結果上當然也存在較大差別,因此,很有必要做好軟硬件的協(xié)同設計。本著這樣的想法,我想將我所認識的 Linux 分析一遍,特別是一些我認為精華和重要的機制,另外在討論過程中,我會插入一些其他的 OS 實現(xiàn)機制,進行對比分析,我把這一類 blog 文章劃歸為“ Linux 機制分析”,希望大家支持。

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201610/305942.htm

什么是 workqueue ?

Linux 中的 Workqueue 機制就是為了簡化內核線程的創(chuàng)建。通過調用 workqueue 的接口就能創(chuàng)建內核線程。并且可以根據(jù)當前系統(tǒng) CPU 的個數(shù)創(chuàng)建線程的數(shù)量,使得線程處理的事務能夠并行化。

workqueue 是內核中實現(xiàn)簡單而有效的機制,他顯然簡化了內核 daemon 的創(chuàng)建,方便了用戶的編程,

Workqueue 機制的實現(xiàn)

Workqueue 機制中定義了兩個重要的數(shù)據(jù)結構,分析如下:

1、cpu_workqueue_struct 結構。該結構將 CPU 和內核線程進行了綁定。在創(chuàng)建 workqueue 的過程中, Linux 根據(jù)當前系統(tǒng) CPU 的個數(shù)創(chuàng)建 cpu_workqueue_struct 。在該結構主要維護了一個任務隊列,以及內核線程需要睡眠的等待隊列,另外還維護了一個任務上下文,即 task_struct 。

2、work_struct 結構是對任務的抽象。在該結構中需要維護具體的任務方法,需要處理的數(shù)據(jù),以及任務處理的時間。該結構定義如下:

struct work_struct {

unsigned long pending;

struct list_head entry; /* 將任務掛載到 queue 的掛載點 */

void (*func)(void *); /* 任務方法 */

void *data; /* 任務處理的數(shù)據(jù) */

void *wq_data; /* work 的屬主 */

strut timer_list timer; /* 任務延時處理定時器 */

};

當用戶調用 workqueue 的初始化接口 create_workqueue 或者 create_singlethread_workqueue 對 workqueue 隊列進行初始化時,內核就開始為用戶分配一個 workqueue 對象,并且將其鏈到一個全局的 workqueue 隊列中。然后 Linux 根據(jù)當前 CPU 的情況,為 workqueue 對象分配與 CPU 個數(shù)相同的 cpu_workqueue_struct 對象,每個 cpu_workqueue_struct 對象都會存在一條任務隊列。緊接著, Linux 為每個 cpu_workqueue_struct 對象分配一個內核 thread ,即內核 daemon 去處理每個隊列中的任務。至此,用戶調用初始化接口將 workqueue 初始化完畢,返回 workqueue 的指針。

在初始化 workqueue 過程中,內核需要初始化內核線程,注冊的內核線程工作比較簡單,就是不斷的掃描對應 cpu_workqueue_struct 中的任務隊列,從中獲取一個有效任務,然后執(zhí)行該任務。所以如果任務隊列為空,那么內核 daemon 就在 cpu_workqueue_struct 中的等待隊列上睡眠,直到有人喚醒 daemon 去處理任務隊列。

Workqueue 初始化完畢之后,將任務運行的上下文環(huán)境構建起來了,但是具體還沒有可執(zhí)行的任務,所以,需要定義具體的 work_struct 對象。然后將 work_struct 加入到任務隊列中, Linux 會喚醒 daemon 去處理任務。

上述描述的 workqueue 內核實現(xiàn)原理可以描述如下:

點擊看大圖

在 Workqueue 機制中,提供了一個系統(tǒng)默認的 workqueue 隊列—— keventd_wq ,這個隊列是 Linux系統(tǒng)在初始化的時候就創(chuàng)建的。用戶可以直接初始化一個 work_struct 對象,然后在該隊列中進行調度,使用更加方便。

Workqueue 編程接口

序號

接口函數(shù)

說明

1

create_workqueue

用于創(chuàng)建一個 workqueue 隊列,為系統(tǒng)中的每個 CPU 都創(chuàng)建一個內核線程。輸入?yún)?shù):

@name workqueue 的名稱

2

create_singlethread_workqueue

用于創(chuàng)建 workqueue ,只創(chuàng)建一個內核線程。輸入?yún)?shù):

@name workqueue 名稱

3

destroy_workqueue

釋放 workqueue 隊列。輸入?yún)?shù):

@ workqueue_struct :需要釋放的workqueue 隊列指針

4

schedule_work

調度執(zhí)行一個具體的任務,執(zhí)行的任務將會被掛入 Linux 系統(tǒng)提供的 workqueue ——keventd_wq 輸入?yún)?shù):

@ work_struct :具體任務對象指針

5

schedule_delayed_work

延遲一定時間去執(zhí)行一個具體的任務,功能與schedule_work 類似,多了一個延遲時間,輸入?yún)?shù):

@work_struct :具體任務對象指針

@delay :延遲時間


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